复合材料-增强机理
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3-2
弹珠：均匀性、气泡
2） 池窑法
池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节 能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。
3-3
A、玻璃纤维
羊毛
亚麻
棉花
生丝
尼龙
高强合 金钢
铝合 金
玻璃
玻璃 纤维
纤维
直径 ~15 (μ m)
16~ 50
拉伸 强度
(MPa)
100~ 300
350
10~ 20
300~ 700
1、概述
胶原纤维+磷酸钙 ? 胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向 ? 磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔
1、概述
贵、ຫໍສະໝຸດ Baidu蚀
1、概述
复合材料的缺点： *制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响
大，而且制备方法在材料之间常常不通 用； *当前复合材料的性能仍远远低于计算值。
1、概述
物理相容性：
① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高。 长度增加，拉伸强度显著下降。
直径(μm ) 性能
拉伸强度 (MPa)
4
3000~ 3800
5
2400~ 2900
7
1750~ 2150
9
11
1250~ 1050~ 1700 1250
玻璃纤维长度(mm) 纤维直径(μm) 平均拉伸强度(MPa)
碳化物
氧化物 氮化物 硼化物
碳化硅晶须 氧化铝晶须
金 属丝
高强度钢丝
不锈钢丝 铍丝 钨丝
从提高强度的角度来看
A、玻璃纤维
玻璃纤维卷
A、玻璃纤维
玻璃纤维绳
玻璃纤维带
玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。 1） 坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约
1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。
注意： 碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的 熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮
强度高，耐热性 能好，电气性能 好，在复合材料
中应用多
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低—纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀
④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低 环境湿度较高时，尤其明显 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使 微裂纹扩展速度加速。
1、概述
复合材料： composite materials; composites
? 广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 ? 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组
合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元
（2）制备工艺 （3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
颗粒增强
增强相形状示意图
复
层压复合材料
合
材
料
长纤维 增强
定向排布
纤维增强复合材料
短纤维 增强
混乱排布
取向性排布
1、概述
燕子窝：泥土-草复合材料
6000 年前人类就已 经会用稻草加粘土 作为建筑复合材料。 水泥复合材料已广 泛地应用于高楼大 厦和河堤大坝等的 建筑，发挥着极为 重要的作用。
1、概述
5
13
1500
20
12.5
1210
90
12.7
360
1560
13
720
② 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20% 。
玻璃纤维 无碱 有碱
纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
5.01
2000
4.70
1600
?无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大 ?氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏 玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 ?氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低
18 块状
440
300~ 600
块状 1600
块状 块状 5~8
40~ 20~ 1000~ 460 120 3000
玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃 纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺 陷少，对应强度就高。
影响玻璃纤维强度的因素：
复合材料
1、概述 2、复合材料增强体 3、复合材料的界面 4、复合材料的增强机制
1、概述
复合材料历史
? 古代－近代－先进复合材料 ? 天然复合材料
– 竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 – 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
? 古代：使用 、效仿
– 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 – 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 – 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
1、概述
基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
? 基体——连续相 ? 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填
料。
? 在基体和增强体之间存在着界面。
100℃，夜间- 100℃ ），以及阳 面与阴面的温度差。
向阳面与背阳面温差260OC
碳纤维复合材料的热膨胀系数小， 可满足这种环境的要求。
1、概述
化学相容性：
★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两 相化学势相等，比表面能效应也最小。
★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 ? F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
2、复合材料增强体
增强体的性能要求： 1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能， 如高的强度、高导热性、耐热性、导电性
2)、增强体应具有良好的化学稳定性。 3)、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。
增强体的分类
纤维类增强体
颗粒类增强体 晶须类增强体
玻璃纤维 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 有机纤维
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。
（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应 力不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的
界面结合及各类性能产生重要的影响。
1、概述
卫星在轨道上飞行时，要经得起 太空环境剧烈的温度交变（白天
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
性能差，一般不 用于增强材料
有碱GF：碱性氧化物（ K 2O，Na 2O）含量大于12 ％
中碱GF：碱性氧化物含量6％－12 ％ GF
低碱GF：碱性氧化物含量 2％－6％
耐酸腐蚀 价格便宜
无碱GF：碱性氧化物含量小于2％: E-GF
弹珠：均匀性、气泡
2） 池窑法
池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节 能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。
3-3
A、玻璃纤维
羊毛
亚麻
棉花
生丝
尼龙
高强合 金钢
铝合 金
玻璃
玻璃 纤维
纤维
直径 ~15 (μ m)
16~ 50
拉伸 强度
(MPa)
100~ 300
350
10~ 20
300~ 700
1、概述
胶原纤维+磷酸钙 ? 胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向 ? 磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔
1、概述
贵、ຫໍສະໝຸດ Baidu蚀
1、概述
复合材料的缺点： *制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响
大，而且制备方法在材料之间常常不通 用； *当前复合材料的性能仍远远低于计算值。
1、概述
物理相容性：
① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高。 长度增加，拉伸强度显著下降。
直径(μm ) 性能
拉伸强度 (MPa)
4
3000~ 3800
5
2400~ 2900
7
1750~ 2150
9
11
1250~ 1050~ 1700 1250
玻璃纤维长度(mm) 纤维直径(μm) 平均拉伸强度(MPa)
碳化物
氧化物 氮化物 硼化物
碳化硅晶须 氧化铝晶须
金 属丝
高强度钢丝
不锈钢丝 铍丝 钨丝
从提高强度的角度来看
A、玻璃纤维
玻璃纤维卷
A、玻璃纤维
玻璃纤维绳
玻璃纤维带
玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。 1） 坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约
1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。
注意： 碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的 熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮
强度高，耐热性 能好，电气性能 好，在复合材料
中应用多
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低—纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀
④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低 环境湿度较高时，尤其明显 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使 微裂纹扩展速度加速。
1、概述
复合材料： composite materials; composites
? 广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 ? 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组
合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元
（2）制备工艺 （3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
颗粒增强
增强相形状示意图
复
层压复合材料
合
材
料
长纤维 增强
定向排布
纤维增强复合材料
短纤维 增强
混乱排布
取向性排布
1、概述
燕子窝：泥土-草复合材料
6000 年前人类就已 经会用稻草加粘土 作为建筑复合材料。 水泥复合材料已广 泛地应用于高楼大 厦和河堤大坝等的 建筑，发挥着极为 重要的作用。
1、概述
5
13
1500
20
12.5
1210
90
12.7
360
1560
13
720
② 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20% 。
玻璃纤维 无碱 有碱
纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
5.01
2000
4.70
1600
?无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大 ?氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏 玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 ?氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低
18 块状
440
300~ 600
块状 1600
块状 块状 5~8
40~ 20~ 1000~ 460 120 3000
玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃 纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺 陷少，对应强度就高。
影响玻璃纤维强度的因素：
复合材料
1、概述 2、复合材料增强体 3、复合材料的界面 4、复合材料的增强机制
1、概述
复合材料历史
? 古代－近代－先进复合材料 ? 天然复合材料
– 竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 – 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
? 古代：使用 、效仿
– 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 – 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 – 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
1、概述
基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
? 基体——连续相 ? 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填
料。
? 在基体和增强体之间存在着界面。
100℃，夜间- 100℃ ），以及阳 面与阴面的温度差。
向阳面与背阳面温差260OC
碳纤维复合材料的热膨胀系数小， 可满足这种环境的要求。
1、概述
化学相容性：
★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两 相化学势相等，比表面能效应也最小。
★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 ? F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
2、复合材料增强体
增强体的性能要求： 1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能， 如高的强度、高导热性、耐热性、导电性
2)、增强体应具有良好的化学稳定性。 3)、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。
增强体的分类
纤维类增强体
颗粒类增强体 晶须类增强体
玻璃纤维 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 有机纤维
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。
（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应 力不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的
界面结合及各类性能产生重要的影响。
1、概述
卫星在轨道上飞行时，要经得起 太空环境剧烈的温度交变（白天
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
性能差，一般不 用于增强材料
有碱GF：碱性氧化物（ K 2O，Na 2O）含量大于12 ％
中碱GF：碱性氧化物含量6％－12 ％ GF
低碱GF：碱性氧化物含量 2％－6％
耐酸腐蚀 价格便宜
无碱GF：碱性氧化物含量小于2％: E-GF